太阳能在污泥处理中的研究进展

唐 娟，毛启迪，高云泽，宋晋栋，郑 伟,2

(1 太原科技大学环境与安全学院，山西 太原 030024；2 长沙理工大学可再生能源电力技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410076)



太阳能在污泥处理中的研究进展

唐 娟1，毛启迪1，高云泽1，宋晋栋1，郑 伟1,2

(1 太原科技大学环境与安全学院，山西 太原 030024；2 长沙理工大学可再生能源电力技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410076)

剩余污泥作为污水处理厂的副产物，是政府和污水处理厂面临的一个严峻问题，并且处理成本占污水处理总成本的50%～60%。本文介绍太阳能在污泥处理中的发展情况，主要阐述太阳能污泥干化的工作原理、影响因素、干化装置及国内外干化技术工艺，详细介绍部分干化工艺技术。对太阳能在污泥堆肥和污泥热解利用方面进行介绍。太阳能高效集热系统的研发和热泵作为辅助热源的实现，能够大大降低污泥处理所需费用，还为太阳能利用开辟新途径。

太阳能；剩余污泥；研究进展

污水处理厂产生的剩余污泥含水率在95%以上，在对污泥进行传统的处置如填埋、焚烧及农用前，首先需要对污泥进行减量化的处理。而太阳能与其他常规能源相比，具有节约常规能源；对环境无污染；来源广泛，运行费用低的优点[1]。本文对目前太阳能在污泥处理中的一些研究应用进行综合阐述。

1 太阳能污泥干化研究

1.1 原理

太阳能污泥干化在传统污泥干化的基础上利用太阳能为主要能源实现污泥干化，为了将污泥中的液态水分逐步转化成蒸汽进入空气，这个过程需要输入能量形成蒸发驱动力，污泥在温室内主要存在三种干化过程[2]：辐射干化；通过自然循环或通风；含水率减至40%～60%时的加速干化，同时，适当的增加相应的附属设备有助于水分蒸发，如通风系统、翻泥系统及暖气系统。

1.2 干化过程的影响因素

影响污泥干燥速率的因素主要包括外部参数(太阳辐射强度、大气温湿度、室内湿度和风速)和内部参数(污泥的性质及其初始含湿量) 两大方面[3]。

郑宗和等[4]通过试验证明太阳能污泥干燥技术对污泥进行脱水处理的可行性，并从热空气和太阳辐射两个方面对污泥干燥的影响进行分析，适当的降低空气含湿量、增大空气流速、使空气与物料接触尽量均匀可提高干燥效率，且干燥初期风速对干燥速率影响较大。为减小太阳能周期性变化给污泥干燥带来的影响，可以在冬季的时候延长干燥时间。雷海燕等[5]结合污泥在整个干燥过程的特性，建议相对于干燥前期而言，后期可适当降低空气温度以达到节能、高效的目的。

马文杰等[6]进一步研究发现污泥的干燥速率呈两个阶段变化，第一阶段是自由水和间隙水的蒸发，第二阶段是结合水的蒸发，空气流速有助于第一阶段水分的蒸发，冬季干化效果不如夏季，辅以优质热源得到良好的干化效果。

赵磊等[7]的研究表明单纯污泥利用太阳能干燥无辅助热源时，干燥速率不超过0.63 kg H2O/m3，不同季节尽管干燥速率有所不同，但是污泥的干燥表面积、孔隙率和变形率只与污泥含水率相关，与干燥速率没有相关性。由于太阳能干燥的周期性特点，尹丽洁等[8]对冬季纯太阳能污泥干燥过程进行了实验和模拟预测，研究发现污泥的干燥分为恒速干燥和降速干燥两个阶段，干燥结束后平衡含湿量约为35%。对于风速和气温对污泥干燥的影响具体为风速增加1.0 m/s，干燥速率增加2.2%～13.4%，温度每上升1 ℃，干燥速率上升138.5%～287.2%。

对于内部参数的影响，刘敏等[9]利用实验数据获得剩余污泥和消化污泥的有效质扩散系数，发现在同一干燥条件下，剩余污泥的平均质扩散系数较高；污泥越厚，平均质扩散系数越大。他们还建立污泥的水分扩散通量关系式，可供预测污泥的而含湿量和干燥时间。除以上的影响因素之外，张云月等[10]的研究发现干燥过程中的翻动措施及产生的臭气也是值得注意的问题，对于二者若处理得当则可提高干燥效果。

1.3 干化装置

太阳能干化装置就是要通过太阳辐射能量和空气非饱和程度将污泥水蒸发出来，实现干化的手段有[2]：一方面尽可能多地让太阳辐射能直接到达污泥表面，通过污泥吸附转化成热能；另一方面尽可能多地通风，使大量非饱和空气在污泥表面上流动，带走污泥中的水分。干燥装置均围绕这两点进行设计和改良。

张振涛等[11]指出当前国内的太阳能干燥装置可以分为3类：温室型太阳能干燥装置、集热型太阳能干燥装置和两者结合或与其他能源方式联合应用太阳能干燥装置。其中，太阳能与热泵结合的干燥装置应用比较广泛。温室型太阳能干燥装置主要是集热部件和干燥室结合成一体，太阳光进入温室后辐射转化成热能，常需要在自然通风的基础上配备风机。集热型太阳能干燥装置主要适用于不能被阳光直接照射的物料，干燥效果优于温室型干燥装置。

德国HUBER公司对太阳能干化装置进行了改良[12]，用特殊的污水热交换器结合热泵技术和室内加热板向干化暖房提供大量低温热能，使得干化装置在夜间和冬季无光的情况下也能保证干化效率。为了使所有污泥处于好氧状态和良好的传热状态，该公司开发的污泥运输翻滚装置不仅能翻抛污泥并逐渐前移，还可以直接将干泥从暖房的出料端送至进料区域，这样节省了占地面积和建设投资。进料和出料系统完全以全自动方式运转，干污泥的返混结合翻抛、曝气处理能够有效改善污泥恶臭问题。

在太阳能丰富的地区可利用太阳能蒸汽辅助污泥热干化，刘永付等[13]研究采用一种新型太阳能蒸汽发生装置产生的中高温饱和蒸汽来辅助污泥干化，结果表明太阳能蒸汽发生装置的集热性能和污泥干化性能均切实可行。

1.4 国内外干化技术工艺

目前，国内研究比较热门的是太阳能—热泵技术。如果采用纯太阳能干化系统，占地较大，在夜间或冬季阳光照射强度小、日照时间较短时，还需额外向干化装置提供外来污水热能[14]。太阳能的利用一方面是利用自然界中辐射能极高的太阳作为直接热源，最终使这部分能量变为污泥干化的热量，另一方面是经过太阳能集热器使水的温度升高到75 ℃以上，并入热泵热水循环管网，为污泥干化提供有效能量[15]。因此，太阳能与热泵结合可以充分利用热源，提高干化效率。

利用太阳能和高温热泵进行污泥干化节能率比普通热泵高70%[16]。通过将太阳能和热泵结合起来组成新的热源，可以充分利用太阳能集热器在低温时集热效果好、热泵系统在其蒸发温度高时效率高的优点, 从而克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性的缺点, 不仅节省高位能源，而且环保。

饶宾期等[17]对太阳能热泵污泥系统的主要设备进行了试验及性能分析，表明太阳能热泵污泥干燥系统相比于传统的干燥技术有节能、环保、经济性好的优势。

山东福航新能源环保科技有限公司研制的太阳能与热泵结合污泥干化工艺采用了太阳能、地热能及余热、废热等清洁能源作为污泥干化的热源，在主动式太阳能温室系统和太阳能集热、热泵循环热水供热的条件下使得污泥含固率不断提高[15]。

对于国外的干化技术工艺，在欧洲尤其是法国和德国有很好的推广和应用，典型的有威立雅的solia工艺，得利满的Helantis工艺，Heliocycle工艺、Thermosystem工艺及HuberSRT工艺[2]。几种工艺各有特点，具体来讲，solia工艺温室内的污泥水分传输面积大，自动化翻泥系统使得污泥干燥均匀化；Helantis工艺可以使含固率较低的污泥经过脱水处理后含固率明显的增大；Heliocycle工艺是翻泥机沿着污泥槽做前后往返的过程中得到干化；Thermosystem工艺的微电子处理系统能更好的适应污泥干燥的条件，技术化程度更高；HuberSRT工艺利用太阳能并回收来自污水处理厂的热能，该工艺的翻泥机、进料、出料及停留时间相比其他工艺的可控化程度高，可以保证一年内的污泥干化效果维持在恒定水平。STR干化装置的翻泥机是德国汉斯唬泊公司开发制作，属于桥架型翻泥机，通过在干化车间缓慢行进，兼具污泥翻滚和运输的作用，最终污泥在车间的另一端排出，且在彻底的翻抛作用下不会产生异味。STR工艺也常利用沼气发电机组产生的废热或余热、二沉池排水中的余热作为辅助热源，进一步提高单位面积的水蒸发能力[18]。

1.5 其他应用

太阳能技术污泥堆肥中也有所应用[19]，好氧堆肥中温度是主要控制因素之一，高的温度是用于病原微生物的破坏，复杂的有机物被强烈分解。太阳能作为一种新能源，它可以提供热量来维持高温，并且是最好的可再生能源之一，不会对环境产生负面影响。

例如，在利用太阳能干燥城市污泥粪渣时，首先用太阳能供热技术对污泥粪渣进行处理[20]，将生产过程中的污泥粪渣加热至30～45 ℃，再采用好氧堆肥工艺使污泥粪渣在合适的温度下分解为复合肥料。太阳能加热工艺主要在发酵干燥系统中满足高温好氧堆肥技术的热源需求，太阳能供热不足时，由储水箱中存储的热能和热泵循环辅助加热，以确保发酵仓内温度恒定。

2 太阳能污泥热解研究

污泥热水解温度多在150 ℃以上，主要商用工艺有Porteous、Zimpro和Cambi工艺[21]。这些工艺需要较高的温度和压力，运行费用及对设备要求高，高浓度水解液难处理，并存在臭气问题。刘超和王飞[22]对污泥在低温条件下热水解效果进行了研究，结果表明温度在40 ℃、60 ℃和80 ℃条件下反应180 min，VSS去除率大约为4%、6%和8%；相比原污泥SV30分别降低了7.9%、13.5%和26.6%。这表明在较低温度下也能提高污泥的脱水效果。

图1为太阳能污泥热水解不同温度下污泥沉降性能变化。 实验连续9天，每天上午9点开始，14点结束，连续运行5 h。横坐标所显示温度和SVI为实验结束时的温度和SVI值，图1中第一个数据为污泥从冰箱中取出时的温度和SVI。从图中可以看出，不同气相条件对太阳能温度影响较大，同时影响污泥的脱水性能。温度越高污泥脱水性能越好。对污泥进行太阳能热解能够有效的改善污泥的脱水性能，如果能够利用取之不尽、用之不竭的清洁能源-太阳能作为污泥减量化的热源，这能够大大降低污泥处理所需费用，还为太阳能利用开辟新途径。

图1 不同温度下污泥沉降性能变化

3 结论与展望

太阳能在污泥处理中的应用主要是太阳能污泥干化。我国太阳能资源丰富，利用太阳能污泥干化技术实现污泥干化过程清洁化、节能化。但是由于太阳能周期性的特点，不同季节、不同气相条件对太阳能的利用影响很大，导致太阳能污泥干化技术运行的连续性差，应用受限，限制了太阳能污泥干化技术的推广应用。要实现太阳能污泥干化技术的规模应用，还需在以下两个方面进行研究：①太阳能高效集热系统的研发；②热泵或其他辅助热源联合应用。

太阳能作为污泥热解的热源相关方面的研究较少，如果上述两个方面的研究有所突破，不但能够大大降低污泥处理所需费用，还为太阳能利用开辟新途径。

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Research Progress on Solar Energy to Treat Sewage Sludge*

TANGJuan1,MAOQi-di1,GAOYun-ze1,SONGJin-dong1,ZHENGWei1,2

(1 School of Environment and safety, Taiyuan University of Science and Technology, Shanxi Taiyuan 030024;2 Key Laboratory of Renewable Energy Electric-technology of Hunan Province,Changsha University of Science & Technology, Hunan Changsha 410076, China)

Excess sludge is the main by-product in wastewater treatment plant. The excess sludge becomes a serious disposal problem for governments and treatment plants. The costs associated with the treatment of the excess sludge may cover up to 50%～60%. Solar energy technology using in sewage sludge treatment was introduced, mainly including working principle of solar energy drying, influence factors, drying equipments and drying technology development in domestic and overseas. Some solar energy drying technology and application were introduced in detail, and the solar energy using in sludge composting and sludge pyrolysis was partly introduced. The realization of high-efficiency solar energy collecting system and heat pump as auxiliary heat source will decrease the costs greatly, and it may open a new way for solar energy utilization.

solar energy; excess sludge; recent development

山西省大学生创新创业训练项目(重点2014265)；可再生能源电力技术湖南省重点实验室基金(2014ZNDL009)。

唐娟(1994-)，女，本科生。

郑伟(1979-)，男，博士，讲师。

X799.3

A

1001-9677(2016)021-0017-03